Drahtlose Sensornetzwerkarchitektur und ihre Anwendungen

Zur Zeit, WSN (Wireless Sensor Network) ist aufgrund seiner technischen Entwicklung in Bezug auf Prozessor, Kommunikation und Stromverbrauch eingebetteter Computergeräte der Standarddienst, der in kommerziellen und industriellen Anwendungen eingesetzt wird. Die drahtlose Sensornetzwerkarchitektur besteht aus Knoten, die zur Beobachtung der Umgebung wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Position, Vibration, Schall usw. verwendet werden. Diese Knoten können in verschiedenen Echtzeitanwendungen verwendet werden, um verschiedene Aufgaben wie die intelligente Erkennung auszuführen. Entdeckung von Nachbarknoten, Datenverarbeitung und -speicherung, Datenerfassung, Zielverfolgung, Überwachung und Steuerung, Synchronisation, Knotenlokalisierung und effektives Routing zwischen der Basisstation und den Knoten. Gegenwärtig werden WSNs in einem erweiterten Schritt organisiert. Es ist nicht unangenehm zu erwarten, dass in 10 bis 15 Jahren die Welt mit WSNs geschützt wird, die über das Internet Zugang zu ihnen haben. Dies kann gemessen werden, wenn das Internet zu einem physischen N / W wird. Diese Technologie bietet ein unendliches Potenzial für viele Anwendungsbereiche wie Medizin, Umwelt, Transport, Militär, Unterhaltung, Heimatschutz, Krisenmanagement und auch intelligente Räume.

Was ist ein drahtloses Sensornetzwerk?

A Wireless Das Sensornetzwerk ist eine Art drahtloses Netzwerk Dazu gehört eine große Anzahl von zirkulierenden, selbstgesteuerten, winzigen Geräten mit geringer Leistung, die als Sensorknoten bezeichnet werden und als Motes bezeichnet werden. Diese Netzwerke decken sicherlich eine große Anzahl räumlich verteilter, kleiner, batteriebetriebener, eingebetteter Geräte ab, die vernetzt sind, um Daten sorgfältig zu sammeln, zu verarbeiten und an die Betreiber zu übertragen, und sie haben die Rechen- und Verarbeitungsfähigkeiten gesteuert. Knoten sind winzige Computer, die gemeinsam Netzwerke bilden.

Drahtloses Sensornetzwerk

Der Sensorknoten ist ein multifunktionales, energieeffizientes drahtloses Gerät. Die Anwendungen von Motiven in der Industrie sind weit verbreitet. Eine Sammlung von Sensorknoten sammelt die Daten aus der Umgebung, um bestimmte Anwendungsziele zu erreichen. Die Kommunikation zwischen Motiven kann unter Verwendung von Transceivern erfolgen. In einem drahtlosen Sensornetzwerk kann die Anzahl der Motive in der Größenordnung von Hunderten / sogar Tausenden liegen. Im Gegensatz zu Sensor-N / Ws haben Ad-hoc-Netzwerke weniger Knoten ohne Struktur.

Netzwerkarchitektur für drahtlose Sensoren

Die gebräuchlichste drahtlose Sensornetzwerkarchitektur folgt dem OSI-Architekturmodell. Die Architektur des WSN umfasst fünf Schichten und drei Kreuzschichten. Meistens benötigen wir in Sensor n / w fünf Schichten, nämlich Anwendung, Transport, n / w, Datenverbindung und physikalische Schicht. Die drei Ebenen sind Power Management, Mobility Management und Task Management. Diese Schichten des WSN werden verwendet, um das n / w zu erreichen und die Sensoren zusammenarbeiten zu lassen, um die vollständige Effizienz des Netzwerks zu erhöhen. Bitte folgen Sie dem unten stehenden Link für Arten von drahtlosen Sensornetzwerken und WSN-Topologien

Arten von WSN-Architekturen

Die in WSN verwendete Architektur ist die Sensornetzwerkarchitektur. Diese Art von Architektur ist an verschiedenen Orten wie Krankenhäusern, Schulen, Straßen, Gebäuden anwendbar und wird in verschiedenen Anwendungen wie Sicherheitsmanagement, Katastrophenmanagement und Krisenmanagement usw. verwendet. Es gibt zwei Arten von Architekturen, die in drahtlosen Sensoren verwendet werden Netzwerke, die Folgendes umfassen. Es gibt zwei Arten von drahtlosen Sensorarchitekturen: Layered Network Architecture und Clustered Architecture. Diese werden nachfolgend erläutert.

• Layered Network Architecture
• Clustered Network Architecture

Layered Network Architecture

Diese Art von Netzwerk verwendet Hunderte von Sensorknoten sowie eine Basisstation. Hier kann die Anordnung von Netzwerkknoten in konzentrischen Schichten erfolgen. Es umfasst fünf Schichten sowie drei Kreuzschichten, die die folgenden umfassen.

Die fünf Ebenen in der Architektur sind:

• Anwendungsschicht
• Transportschicht
• Netzwerkschicht
• Datenübertragungsebene
• Physikalische Schicht

Die drei Kreuzschichten umfassen Folgendes:

• Energieverwaltungsebene
• Mobilitätsmanagement-Ebene
• Aufgabenverwaltungsebene

Diese drei Kreuzschichten werden hauptsächlich zur Steuerung des Netzwerks sowie zur Funktion der Sensoren verwendet, um die Gesamteffizienz des Netzwerks zu verbessern. Die oben erwähnten fünf Schichten von WSN werden unten diskutiert.

Netzwerkarchitektur für drahtlose Sensoren

Anwendungsschicht

Die Anwendungsschicht ist für das Verkehrsmanagement verantwortlich und bietet Software für zahlreiche Anwendungen, die die Daten in einer klaren Form konvertieren, um positive Informationen zu finden. Sensornetzwerke, die in zahlreichen Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Landwirtschaft, Militär, Umwelt, Medizin usw. angeordnet sind.

Transportschicht

Die Funktion der Transportschicht besteht darin, Stauvermeidung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wenn viele Protokolle, die diese Funktion bieten sollen, entweder im Upstream-Bereich praktisch sind. Diese Protokolle verwenden unterschiedliche Mechanismen zur Erkennung und Wiederherstellung von Verlusten. Die Transportschicht wird genau dann benötigt, wenn ein System andere Netzwerke kontaktieren soll.

Die Bereitstellung einer zuverlässigen Verlustwiederherstellung ist energieeffizienter und dies ist einer der Hauptgründe, warum TCP nicht für WSN geeignet ist. Im Allgemeinen können Transportschichten in paketgesteuerte und ereignisgesteuerte Schichten unterteilt werden. Es gibt einige beliebte Protokolle in der Transportschicht, nämlich STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Price-Oriented Reliable Transport Protocol und PSFQ (Pump Slow Fetch Quick).

Netzwerkschicht

Die Hauptfunktion der Netzwerkschicht ist das Routing. Sie hat viele Aufgaben, die auf der Anwendung basieren. Die Hauptaufgaben liegen jedoch in der Energieeinsparung. Teilspeicher, Puffer und Sensor haben keine universelle ID und müssen selbst organisiert sein.

Die einfache Idee des Routing-Protokolls besteht darin, eine zuverlässige Spur und redundante Spuren gemäß einer überzeugenden Skala zu erklären, die als Metrik bezeichnet wird und von Protokoll zu Protokoll variiert. Es gibt viele vorhandene Protokolle für diese Netzwerkschicht. Sie können in flaches Routing und hierarchisches Routing oder in zeitgesteuertes, abfragegesteuertes und ereignisgesteuertes unterteilt werden.

Datenübertragungsebene

Die Datenverbindungsschicht ist für das Multiplexen von Datenrahmenerkennung, Datenströmen, MAC und Fehlerkontrolle verantwortlich. Bestätigen Sie die Zuverlässigkeit von Punkt-Punkt- (oder) Punkt-Mehrpunkt-Daten.

Physikalische Schicht

Die physikalische Schicht bietet eine Kante zum Übertragen eines Bitstroms über das physikalische Medium. Diese Schicht ist für die Auswahl der Frequenz, die Erzeugung einer Trägerfrequenz, die Signalerkennung, die Modulation und die Datenverschlüsselung verantwortlich. IEEE 802.15.4 wird als typisch für bestimmte Bereiche mit niedriger Rate und drahtlose Sensornetzwerke mit geringen Kosten, geringem Stromverbrauch, geringer Dichte und geringem Kommunikationsbereich vorgeschlagen, um die Batterielebensdauer zu verbessern. CSMA / CA wird zur Unterstützung der Star & Peer-to-Peer-Topologie verwendet. Es gibt verschiedene Versionen von IEEE 802.15.4.V.

Die Hauptvorteile der Verwendung dieser Art von Architektur in WSN bestehen darin, dass jeder Knoten einfach Übertragungen mit geringerer Entfernung und geringem Stromverbrauch zu den benachbarten Knoten umfasst, aufgrund derer die Stromauslastung im Vergleich zu anderen Arten von Sensornetzwerkarchitekturen gering ist. Diese Art von Netzwerk ist skalierbar und weist eine hohe Fehlertoleranz auf.

Clustered Network Architecture

Bei dieser Art von Architektur werden separate Sensorknoten zu Gruppen hinzugefügt, die als Cluster bezeichnet werden und vom „Leach-Protokoll“ abhängen, da es Cluster verwendet. Der Begriff 'Leach-Protokoll' steht für 'Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy'. Die Haupteigenschaften dieses Protokolls umfassen hauptsächlich die folgenden.

Clustered Network Architecture

• Dies ist eine zweistufige Hierarchie-Clustering-Architektur.
• Dieser verteilte Algorithmus wird verwendet, um die Sensorknoten in Gruppen anzuordnen, die als Cluster bezeichnet werden.
• In jedem Cluster, der separat gebildet wird, erstellen die Kopfknoten des Clusters die TDMA-Pläne (Time-Division Multiple Access).
• Es verwendet das Data Fusion-Konzept, um das Netzwerk energieeffizienter zu machen.

Diese Art von Netzwerkarchitektur wird aufgrund der Datenfusionseigenschaft extrem verwendet. In jedem Cluster kann jeder Knoten über den Kopf des Clusters interagieren, um die Daten abzurufen. Alle Cluster teilen ihre gesammelten Daten mit der Basisstation. Die Bildung eines Clusters sowie seine Kopfauswahl in jedem Cluster ist eine unabhängige sowie autonome verteilte Methode.

Designprobleme der drahtlosen Sensornetzwerkarchitektur

Die Entwurfsprobleme der drahtlosen Sensornetzwerkarchitektur umfassen hauptsächlich die folgenden.

• Energieverbrauch
• Lokalisierung
• Abdeckung
• Uhren
• Berechnung
• Produktionskosten
• Design von Hardware
• Servicequalität

Energieverbrauch

In WSN ist der Stromverbrauch eines der Hauptprobleme. Als Energiequelle wird die Batterie durch Ausstattung mit Sensorknoten verwendet. Das Sensornetzwerk ist in gefährlichen Situationen angeordnet, so dass das Wechseln der ansonsten aufgeladenen Batterien kompliziert wird. Der Energieverbrauch hängt hauptsächlich von den Funktionen der Sensorknoten wie Kommunikation, Erfassung und Datenverarbeitung ab. Während der gesamten Kommunikation ist der Energieverbrauch sehr hoch. So kann der Energieverbrauch auf jeder Ebene durch die Verwendung effizienter Routing-Protokolle vermieden werden.

Lokalisierung

Das grundlegende und kritische Problem für den Betrieb des Netzwerks ist die Sensorlokalisierung. Daher sind Sensorknoten ad-hoc angeordnet, sodass sie nicht über ihren Standort Bescheid wissen. Die Schwierigkeit, den physischen Standort des Sensors nach seiner Anordnung zu bestimmen, wird als Lokalisierung bezeichnet. Diese Schwierigkeit kann durch GPS, Beacon-Knoten und Lokalisierung basierend auf der Nähe behoben werden.

Abdeckung

Die Sensorknoten im drahtlosen Sensornetzwerk verwenden einen Abdeckungsalgorithmus zum Erfassen von Daten sowie zum Übertragen dieser Daten, um durch den Routing-Algorithmus zu sinken. Um das gesamte Netzwerk abzudecken, sollten die Sensorknoten ausgewählt werden. Dort werden effiziente Methoden wie Algorithmen für den niedrigsten und höchsten Belichtungspfad sowie das Abdeckungsentwurfsprotokoll empfohlen.

Uhren

In WSN ist die Taktsynchronisation ein ernstzunehmender Dienst. Die Hauptfunktion dieser Synchronisation besteht darin, eine gewöhnliche Zeitskala für die Knoten lokaler Uhren innerhalb von Sensornetzwerken anzubieten. Diese Uhren müssen in einigen Anwendungen wie Überwachung und Verfolgung synchronisiert werden.

Berechnung

Die Berechnung kann als die Summe der Daten definiert werden, die durch jeden Knoten fortgesetzt werden. Das Hauptproblem bei der Berechnung besteht darin, dass die Ressourcennutzung reduziert werden muss. Wenn die Lebensdauer der Basisstation gefährlicher ist, wird die Datenverarbeitung an jedem Knoten abgeschlossen, bevor Daten zur Basisstation übertragen werden. Wenn wir an jedem Knoten über einige Ressourcen verfügen, sollte die gesamte Berechnung an der Senke durchgeführt werden.

Produktionskosten

In WSN ist die große Anzahl von Sensorknoten angeordnet. Wenn also der Einzelknotenpreis sehr hoch ist, ist auch der Gesamtnetzwerkpreis hoch. Letztendlich muss der Preis für jeden Sensorknoten geringer gehalten werden. Der Preis für jeden Sensorknoten innerhalb des drahtlosen Sensornetzwerks ist daher ein anspruchsvolles Problem.

Hardware-Design

Beim Entwurf der Hardware eines Sensornetzwerks wie Leistungssteuerung müssen Mikrocontroller und Kommunikationseinheit energieeffizient sein. Sein Design kann so erfolgen, dass es wenig Energie verbraucht.

Servicequalität

Die Servicequalität oder QoS ist nichts anderes als die Daten müssen rechtzeitig verteilt werden. Weil einige der sensorgestützten Echtzeitanwendungen hauptsächlich von der Zeit abhängen. Wenn die Daten also nicht rechtzeitig an den Empfänger verteilt werden, werden sie unbrauchbar. In WSNs gibt es verschiedene Arten von QoS-Problemen, z. B. die Netzwerktopologie, die häufig geändert werden kann, und der für das Routing verwendete zugängliche Informationsstatus kann ungenau sein.

Aufbau eines drahtlosen Sensornetzwerks

Die Struktur von WSN umfasst hauptsächlich verschiedene Topologien, die für Funkkommunikationsnetze wie einen Stern, ein Netz und einen Hybridstern verwendet werden. Diese Topologien werden im Folgenden kurz erläutert.

Star Network

Die Kommunikationstopologie wird wie ein Sternnetzwerk überall dort verwendet, wo nur die Basisstation eine Nachricht an entfernte Knoten senden oder empfangen kann. Es stehen eine Reihe von Knoten zur Verfügung, die keine Nachrichten untereinander übertragen dürfen. Die Vorteile dieses Netzwerks bestehen hauptsächlich in der Einfachheit, mit der die Stromauslastung entfernter Knoten auf ein Minimum reduziert werden kann.

Es ermöglicht auch die Kommunikation mit geringerer Latenz zwischen der Basisstation sowie einem Remote-Knoten. Der Hauptnachteil dieses Netzwerks besteht darin, dass sich die Basisstation für alle separaten Knoten im Funkbereich befinden sollte. Es ist nicht robust wie andere Netzwerke, da es von einem einzelnen Knoten abhängt, um das Netzwerk zu verwalten.

Mesh-Netzwerk

Diese Art von Netzwerk ermöglicht die Übertragung der Daten von einem Knoten zu einem anderen innerhalb des Netzwerks, das sich im Bereich der Funkübertragung befindet. Wenn ein Knoten eine Nachricht an einen anderen Knoten senden muss und dieser außerhalb der Funkkommunikationsreichweite liegt, kann er einen Knoten wie ein Zwischenprodukt verwenden, um die Nachricht an den bevorzugten Knoten zu senden.

Der Hauptvorteil eines Mesh-Netzwerks ist die Skalierbarkeit sowie Redundanz. Wenn ein einzelner Knoten nicht mehr funktioniert, kann sich ein entfernter Knoten mit einem anderen Knotentyp innerhalb des Bereichs unterhalten und die Nachricht dann an den bevorzugten Ort weiterleiten. Darüber hinaus wird der Netzwerkbereich nicht automatisch durch den Bereich zwischen einzelnen Knoten eingeschränkt, sondern kann einfach durch Hinzufügen einer Anzahl von Knoten zum System erweitert werden.

Der Hauptnachteil dieser Art von Netzwerk ist die Stromauslastung für die Netzwerkknoten, die die Kommunikation wie Multi-Hop ausführen. Diese sind normalerweise höher als bei anderen Knoten, die nicht in der Lage sind, die Lebensdauer der Batterie häufig zu begrenzen. Wenn außerdem die Anzahl der Kommunikationssprünge in Richtung eines Ziels zunimmt, nimmt auch die zum Senden der Nachricht benötigte Zeit zu, insbesondere wenn der Prozess mit geringem Stromverbrauch der Knoten eine Notwendigkeit ist.

Hybrid Star - Mesh Netzwerk

Ein Hybrid zwischen den beiden Netzwerken wie Stern und Netz bietet ein starkes und flexibles Kommunikationsnetzwerk, während der Stromverbrauch von drahtlosen Sensorknoten auf ein Minimum reduziert wird. In dieser Art von Netzwerktopologie dürfen die Sensorknoten mit geringerer Leistung die Nachrichten nicht übertragen.
Dies ermöglicht eine Wartung mit geringstem Stromverbrauch.

Andere Netzwerkknoten können jedoch mehrere Sprünge ausführen, indem sie Nachrichten von einem Knoten zu einem anderen im Netzwerk übertragen können. Normalerweise haben die Knoten mit der Multi-Hop-Kapazität eine hohe Leistung und werden häufig an die Netzleitung angeschlossen. Dies ist die implementierte Topologie durch das bevorstehende Standard-Mesh-Netzwerk namens ZigBee.

Aufbau eines drahtlosen Sensorknotens

Die Komponenten, die zur Herstellung eines drahtlosen Sensorknotens verwendet werden, sind verschiedene Einheiten wie Erfassung, Verarbeitung, Transceiver und Stromversorgung. Es enthält auch zusätzliche Komponenten, die von einer Anwendung abhängen, wie einen Stromgenerator, ein Standortsuchsystem und einen Mobilisierer. Im Allgemeinen umfassen Sensoreinheiten zwei Untereinheiten, nämlich ADCs sowie Sensoren. Hier erzeugen Sensoren analoge Signale, die mit Hilfe des ADC in digitale Signale umgewandelt werden können, und senden diese anschließend an die Verarbeitungseinheit.

Im Allgemeinen kann diese Einheit über eine winzige Speichereinheit zugeordnet werden, um die Aktionen auszuführen, mit denen der Sensorknoten mit den anderen Knoten zusammenarbeitet, um die zugewiesenen Erfassungsaufgaben zu erfüllen. Der Sensorknoten kann mit Hilfe einer Transceivereinheit mit dem Netzwerk verbunden werden. Im Sensorknoten ist eine der wesentlichen Komponenten ein Sensorknoten. Die Aggregate werden durch Power-Scavenge-Aggregate wie Solarzellen unterstützt, während die anderen Untereinheiten von der Anwendung abhängen.

Ein Funktionsblockdiagramm für drahtlose Erfassungsknoten ist oben gezeigt. Diese Module bieten eine vielseitige Plattform, um die Anforderungen breiter Anwendungen zu erfüllen. Beispielsweise kann basierend auf den anzuordnenden Sensoren der Austausch des Signalaufbereitungsblocks erfolgen. Dies ermöglicht die Verwendung verschiedener Sensoren zusammen mit dem drahtlosen Erfassungsknoten. Ebenso kann die Funkverbindung gegen eine bestimmte Anwendung ausgetauscht werden.

Eigenschaften des drahtlosen Sensornetzwerks

Die Eigenschaften von WSN umfassen Folgendes.

• Der Verbrauch von Leistungsgrenzen für Knoten mit Batterien
• Kapazität zur Behandlung von Knotenfehlern
• Einige Mobilität der Knoten und Heterogenität der Knoten
• Skalierbarkeit in großem Maßstab
• Fähigkeit, strenge Umgebungsbedingungen zu gewährleisten
• Einfach zu benutzen
• Cross-Layer-Design

Vorteile von drahtlosen Sensornetzwerken

Die Vorteile von WSN umfassen Folgendes

• Netzwerkvereinbarungen können ohne unbewegliche Infrastruktur durchgeführt werden.
• Geeignet für nicht erreichbare Orte wie Berge, über dem Meer, ländliche Gebiete und tiefe Wälder.
• Flexibel, wenn es eine gelegentliche Situation gibt, in der eine zusätzliche Workstation erforderlich ist.
• Ausführungspreise sind günstig.
• Es wird viel Verkabelung vermieden.
• Es kann jederzeit Unterkünfte für die neuen Geräte bereitstellen.
• Es kann durch zentrale Überwachung geöffnet werden.

Netzwerkanwendungen für drahtlose Sensoren

Drahtlose Sensornetzwerke können zahlreiche verschiedene Arten von Sensoren umfassen, z. B. niedrige Abtastrate, seismische, magnetische, thermische, visuelle, Infrarot-, Radar- und akustische Sensoren, die eine Vielzahl von Umgebungssituationen überwachen können. Sensorknoten werden zur konstanten Erfassung, Ereignis-ID, Ereigniserkennung und lokalen Steuerung von Aktuatoren verwendet. Die Anwendungen von drahtlosen Sensornetzwerken umfassen hauptsächlich Gesundheits-, Militär-, Umwelt-, Heim- und andere kommerzielle Bereiche.

WSN-Anwendung

• Militärische Anwendungen
• Gesundheitsanwendungen
• Umweltanwendungen
• Hauptanwendungen
• Kommerzielle Anwendungen
• Bereichsüberwachung
• Überwachung des Gesundheitswesens
• Umwelt- / Erdsensoren
• Überwachung der Luftverschmutzung
• Waldbranderkennung
• Erdrutscherkennung
• Überwachung der Wasserqualität
• Industrielle Überwachung

Es geht also nur darum, was ein ist drahtloses Sensornetzwerk , Architektur, Eigenschaften und Anwendungen des drahtlosen Sensornetzwerks. Wir hoffen, dass Sie dieses Konzept besser verstehen. Darüber hinaus alle Fragen oder zu wissen Projektideen für drahtlose Sensornetzwerke Bitte geben Sie Ihre wertvollen Vorschläge, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie, Was sind die verschiedenen Arten von drahtlosen Sensornetzwerken?